基于CAN總線(xiàn)的電動(dòng)車(chē)電源設計

隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，CAN總線(xiàn)的運用也更加廣泛和便捷，特別是應用在電動(dòng)車(chē)上。今天成都盤(pán)灃科技有限公司的小編將為大家介紹基于CAN總線(xiàn)的電動(dòng)車(chē)電源設計。

本文介紹的電動(dòng)車(chē)用三相逆變電源屬于車(chē)載輔助逆變電源。稱(chēng)為“輔助電源”是因為它的負載為電動(dòng)車(chē)上的一些輔助交流電機，如汽車(chē)轉向助力油泵、剎車(chē)氣泵、冷卻水循環(huán)中的水泵以及空調系統中的壓縮機等。對該三相逆變電源的工作要求是：正常運行情況時(shí)獨立維持輔助電機的穩定運行，能夠根據上位機的指令適當調整工作狀態(tài);在負載發(fā)生故障(如電機短路)時(shí)迅速關(guān)系輸出、安全關(guān)機，同時(shí)能夠通過(guò)CAN總線(xiàn)向上位機和其它節點(diǎn)報告自身故障，引發(fā)車(chē)輛各系統的相關(guān)操作(例如：位于儀表臺上的人機界面顯示系統將立即顯示警告信息，報告車(chē)輛故障部位，并提示駕駛員減速;而整車(chē)能量管理系統則發(fā)出命令關(guān)閉輔助逆變電源的輸入，并將接收到的錯誤代碼和當前運行參數進(jìn)行保存，便于維修人員進(jìn)行故障診斷。

由此看出，雖然選擇一個(gè)通用變頻器進(jìn)行改裝可以實(shí)現車(chē)用三相逆變電源的基本功能，但是要做成支持CAN總線(xiàn)各種功能的智能化節點(diǎn)必須從底層進(jìn)行開(kāi)發(fā)，直接選擇支持CAN總線(xiàn)接口的控制芯片，在控制程序中集成CAN通訊功能，適應整車(chē)通訊的要求。

德國B(niǎo)osch公司為了解決現代車(chē)輛中眾多的控制和數據交換問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出一種CAN(Controller Area Network)現場(chǎng)總線(xiàn)通訊結構，廣泛應用在常規燃油汽車(chē)上，如BENZ、BMW、PORSCHE.同時(shí)，CAN總線(xiàn)也被認為是電動(dòng)車(chē)最佳通訊結構，我國“863計劃”關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的說(shuō)明中已經(jīng)明確提出，新申報的電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)項目必須采用CAN總線(xiàn)通訊模式。

CAN總線(xiàn)結構是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò )。圖1為一個(gè)典型的電動(dòng)汽車(chē)CAN總線(xiàn)結構示意圖，包括整車(chē)動(dòng)力部分的主電機控制器、電池組管理系統、人機界面顯示系統等多個(gè)設備，這些子系統之間通過(guò)CAN進(jìn)行數據通訊和命令傳輸。每個(gè)節點(diǎn)設備都能夠在脫離CAN總線(xiàn)的情況下獨立完成自身系統的運行，從而滿(mǎn)足車(chē)輛運行安全性的需要。同時(shí)，CAN總線(xiàn)也不會(huì )因為某個(gè)設備的脫離而出現系統結構崩潰的現象。

電動(dòng)車(chē)由于儲能設備容量有限，在運行過(guò)程中對電能流向管理十分嚴格。精確的電能管理可以延長(cháng)車(chē)輛運行里程，減少電池充電頻率，從而節約運行成本。車(chē)載能量管理系統需要隨時(shí)監控電池電壓、電機輸出功率以及其它設備的用電情況。同時(shí)，電動(dòng)車(chē)電子控制系統的動(dòng)態(tài)信息必須具有實(shí)時(shí)性，各子系統需要將車(chē)輛的公共數據實(shí)時(shí)共享，如電機轉速、車(chē)輪轉換、油門(mén)踏板位置等。但不同控制單元的控制周期不同，數據轉換速度、各控制命令優(yōu)先級也不同，因此需要一種具有優(yōu)先權競爭模式的數據交換網(wǎng)絡(luò )，并且本身具有極高的通信速率。此外，作為一種載人交通工具，電動(dòng)汽車(chē)必須具有極高的運行穩定性，整車(chē)通訊系統必須具有很強的容錯能力和快速處理能力。

1逆變電源系統硬件構成

電動(dòng)車(chē)用輔助三相逆變電源從結構上可以分為三個(gè)部分：(1)DC/DC多路電源——自動(dòng)適應直流輸入端的大范圍電壓浮動(dòng)，為系統的其它電路提供彼此隔離且電壓穩定的低壓電源;(2)主控制板——檢測各路輸出的電壓、電流，根據運行情況智能調整逆變電路的輸出，通過(guò)CAN總線(xiàn)參與整車(chē)數據通訊;(3)主功率逆變電路——由高度集成的三相逆變模塊IPM組成，完成主電路的逆變功能。

DC/DC多路電源采用開(kāi)關(guān)電源的標準設計，配合具有不同變的多抽頭高頻變壓器，對外輸出5V、12V、20V等多路隔離直流電。同時(shí)考慮到電動(dòng)車(chē)電池組電壓的波動(dòng)范圍相對較大(充滿(mǎn)時(shí)為400V，使用過(guò)程中可能降低到280V)，在設計中選擇了適當的電路結構，取得較好的輸入電壓適應能力。

控制板是整個(gè)系統的核心，采用P8xC592單片機系統中無(wú)片內ROM的P80C592、脈寬調制專(zhuān)用芯片SA8282、CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250以及主電路電壓、電流數據采集模塊等。

控制板通過(guò)SA8282專(zhuān)用芯片向三相逆變模塊IPM提供6路PWM信號。SA8282芯片由MITEL公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，其特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、頻率精度高、運行可靠性高，它支持標準8位MOTEL復用數據總線(xiàn)，可以方便地和單片機交換數據。單片機只需對芯片內部的5個(gè)數據寄存器賦值，就可以完成對 PWM波形輸出的初始化和實(shí)時(shí)控制。SA8282芯片為標準28腳雙列直插式封裝，管腳RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB輸出三相可獨立控制的TTL驅動(dòng)信號，可對應驅動(dòng)三相逆變橋上的六路IGBT.

將SA8282專(zhuān)用芯片與IPM連接后，P80C592只需要在啟動(dòng)時(shí)對其進(jìn)行初始化，三相輸出達到預定值后，SA8282即可以獨立驅動(dòng) IPM模塊。只有在調整PWM輸出時(shí)，P80C592才需要對SA8282進(jìn)行控制。同時(shí)，SA8282芯片的SET TRIP管腳能夠響應IPM發(fā)出的故障信號，迅速關(guān)斷所有PWM波形輸出，對逆變電路進(jìn)行快速保護，并通過(guò)TRIP狀態(tài)輸出管理通知P80C592單片機，確保系統安全。

分布于主電路直流輸入端和三相輸出端的數據采集模塊可對各路電壓、電流進(jìn)行采集，經(jīng)P80C592進(jìn)行A/D變換后保存到數據存儲器中，便于CPU判斷系統輸入/輸出是否正常，并進(jìn)行相應操作。

CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250是CAN控制器和物理總線(xiàn)間的接口，最初為汽車(chē)高速通信設計，具許多針對車(chē)輛應用設計的結構。其特點(diǎn)包括：有效減小汽車(chē)環(huán)境瞬間干擾對信號的影響，具有保護總線(xiàn)能力;防護電池與地之間發(fā)生短路;支持低電流待機方式等，因此十分適合電動(dòng)車(chē)輔助逆變電源的需要。將 82C250與P80C592的CAN接口輸入、輸出端相連，便構成了輔助逆變電源對外通訊的接口。

2P8xC592芯片介紹

在電動(dòng)車(chē)用輔助逆變電源的設計中，控制電路不僅要支持CAN總線(xiàn)通訊，還要對負載電壓、電流等模擬量進(jìn)行檢測，進(jìn)行各種邏輯判斷，并驅動(dòng)其它芯片完成三相逆變功能。因此簡(jiǎn)單選擇一個(gè)單獨的CAN控制器是不夠的，最方便的選擇是使用帶有在片CAN功能的控制器。

P8xC592是由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的8位微處理器，主要包括：

?一個(gè)80C51中央處理單元(CPU)

?兩路分辨率為8位的脈沖寬度調制輸出

?兩個(gè)標準的16位定時(shí)/計數器

?具有兩級優(yōu)先權的15個(gè)中斷源

?包括四個(gè)捕獲和三個(gè)比較寄存器的16位定時(shí)器/計數器